通信原理课件3.ppt

1、第三章 信道本章研究的主要内容：本章研究的主要内容：1，信号在信道中的传输特性 2，信噪比SNR计算 序言信道信道:逻辑信道辑信道-如编码信道、调制信道和信息论中研究如编码信道、调制信道和信息论中研究的信道等的信道等物理信道物理信道-指连接发射机和接收机之间的信号通道指连接发射机和接收机之间的信号通道发射机接收机 信道信道(本章研究对象）本章研究对象）本章主要讨论物理信道！定义：信道是指以传输媒质为基础的信号通道。信道是指以传输媒质为基础的信号通道。3.1 信道分类n按物理形态分 有线：双绞线 电缆、光纤 无线：大气、水 宇宙空间n按信道特性分 恒参：传输特性不随时 间变化（有线一般属恒参）变

2、参：信道特性随时间变化 （无线信道可能是恒 参，也可能是变参）一、分类 恒参 变参n频域 传输函数：n时域 冲激响应函数：3.1 信道分类二、描述()()()iHHe(;)h f t()h t(;)Ct确知函数随机过程图 3.2.1 有线信道媒质频率范围三、有线信道3.1 信道分类n微波中继n卫星1、恒参发射接收特点：收发天线无摭挡，电波直射3.1 信道分类四、无线信道n移动通信信道2、变参Direct Wave0102特征：接收信号是多条路径信号叠加稀梳散射3.1 信道分类四、无线信道n对流层散射信道散射体（密集散射）特征：电波不能直射2、变参3.1 信道分类四、无线信道n水声信道 声波传播

3、速度（1500米/秒）海面反射严重 多径衰落明显 深海、浅海衰落特性不同 2、变参3.1 信道分类四、无线信道 广义信道广义信道按照它包括的功能，可以分为按照它包括的功能，可以分为调制调制信道和编码信道信道和编码信道。图图 3 1 调制信道和编码信道调制信道和编码信道编码器输入调制器发转换器媒质收转换器解调器译码器输出编 码 信 道调 制 信 道3.2 调制信道与编码信道一、调制信道3.2 调制信道与编码信道调制信道调制信道是为是为研究调制与解调问题研究调制与解调问题所建立的一种所建立的一种广义信道广义信道，它所关心的是信号经信道传输后波形它所关心的是信号经信道传输后波形和频谱的变化情况。和频

4、谱的变化情况。因此，调制信道可以用具有因此，调制信道可以用具有一定输入、输出关系的方框来表示。一定输入、输出关系的方框来表示。线 性 时 变 网 络si(t)so(t)ei(t)eo(t)其输入输出的关系有：其输入输出的关系有：一、调制信道3.2 调制信道与编码信道二、编码信道3.2 调制信道与编码信道输入、输出都是数字信号，关心的是误码率而不输入、输出都是数字信号，关心的是误码率而不是信号失真情况，但误码是由调制信道造成的是信号失真情况，但误码是由调制信道造成的.二进制无记忆信道二进制无记忆信道 二进制无记忆对称信道二进制无记忆对称信道p(0/0)p(0/1)p(1/0)p(1/1)0101

5、xy0101xy11转移概率矩阵：转移概率矩阵：p(yj/xi)=p(0/0)p(1/0)p(yj/xi)=1 1 p(0/1)p(1/1)pe=p(0)p(1/0)+p(1)p(0/1)pe=p(0)+p(1)3.3 恒参信道一、恒参信道实例 信道特性主要由传输媒质所决定，信道特性主要由传输媒质所决定，如果传输媒质如果传输媒质是基本不随时间变化的，是基本不随时间变化的，所构成的广义信道通常属于所构成的广义信道通常属于恒参信道恒参信道。下面简要介绍几种有代表性的恒参信道的下面简要介绍几种有代表性的恒参信道的例子例子。如由架空明线、电缆、中长波地波传播、对称电缆、超短波及如由架空明线、电缆、中长

6、波地波传播、对称电缆、超短波及微波视距传播、人造卫星中继、光导纤维以及光波视距传播等传输媒质构微波视距传播、人造卫星中继、光导纤维以及光波视距传播等传输媒质构成的广义信道都属于恒参信道。成的广义信道都属于恒参信道。光纤信道组成：光纤信道组成：解调电解调电信号信号基带电信号基带电信号（原始电信号）（原始电信号）基带电信号基带电信号（原始电信号）（原始电信号）基带处理基带处理光源光源光调制器光调制器光纤线路光纤线路光检测器光检测器基带处理基带处理产生载波光产生载波光3.3 恒参信道一、恒参信道实例恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极恒参信道对信号传输的影响是确定的或者是变化极其缓慢的。其缓

7、慢的。因此，其传输特性可以等效为一个线性因此，其传输特性可以等效为一个线性时不变网络。时不变网络。只要知道只要知道网络的传输特性网络的传输特性，就可以采，就可以采用信号分析方法，分析信号及其网络特性。用信号分析方法，分析信号及其网络特性。线性网络的传输特性线性网络的传输特性可以用可以用幅度频率特性幅度频率特性和和相位相位频率特性频率特性来表征。来表征。现在我们首先讨论理想情况下的现在我们首先讨论理想情况下的恒参信道特性恒参信道特性。3.3 恒参信道二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响1.理想恒参信道特性理想恒参信道特性 理想恒参信道就是理想的无失真传输信道，理想恒参信道就是理想的无失真传输

8、信道，其等效的线性网络传输特性为其等效的线性网络传输特性为其中其中K0为传输系数，为传输系数，td为时间延迟，它们都是与为时间延迟，它们都是与频率无关的常数。根据信道的等效传输函数，可频率无关的常数。根据信道的等效传输函数，可以得到幅频特性为以得到幅频特性为|H()|=K0 相频特性为相频特性为 ()=tddtjeKH 0)(3.3 恒参信道二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响 信道的相频特性通常还采用信道的相频特性通常还采用群迟延群迟延-频率特性频率特性来来衡量，衡量，所谓的所谓的群迟延群迟延-频率特性频率特性就是就是相位相位-频率特性频率特性的的导数导数，则群迟延则群迟延-频率特性可以

9、表示为频率特性可以表示为 dtdwwdw)()(OK0|H()|(a)O()td(b)Otd(c)3.3 恒参信道二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响图：理想信道的幅频特性、图：理想信道的幅频特性、相频特相频特性和群迟延性和群迟延-频率特性频率特性 n 恒参信道传输特性及其对信号传输的影响n时域关系式：时域关系式：y(t)=x(t)y(t)=x(t)*h(t)h(t)n频域关系式：频域关系式：Y()Y()X()H()X()H()n频率特性：频率特性：n群迟延频率特性：群迟延频率特性：n理想信道：理想信道：H(=keH(=ke-jtd-jtd ，()=-t()=-td d n非理想信道非理想

10、信道:H()k:H()k，()-t()-td d)()()(jeHHdd)()(3.3 恒参信道二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响恒参信道举例n设某恒参信道的幅频特性为设某恒参信道的幅频特性为H()=H()=1+cosT1+cosT0 0 其中，其中，t td d为常数。试确定信号为常数。试确定信号s(t)s(t)通过该信道通过该信道后的输出信号表示式，并讨论之。后的输出信号表示式，并讨论之。n解解:H()=H()=1+cosT1+cosT0 0 =+(+)=+(+)=+=+h(t)=(t-t h(t)=(t-td d)+(t-t)+(t-td d+T+T0 0)+(t-t)+(t-td

11、 d-T-T0 0)输出信号输出信号 s so o(t)=s(t)(t)=s(t)*h(t)=s(t-th(t)=s(t-td d)+s(t-t)+s(t-td d+T+T0 0)+s(t-)+s(t-t td d-T-T0 0)dtjedtjedtje210Tje0Tjedtjedtje21)(0Ttjde)(0Ttjde21由此可见，由此可见，理想恒参信道对信号传输的影响是：理想恒参信道对信号传输的影响是：(1)对信号在幅度上产生固定的衰减；对信号在幅度上产生固定的衰减；(2)对信号在时间上产生固定的迟延。对信号在时间上产生固定的迟延。这种情况也称信号是无这种情况也称信号是无失真传输失真传

12、输。3.3 恒参信道二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响在实际中，如果信道传输特性偏离了理想信道特性，在实际中，如果信道传输特性偏离了理想信道特性，就会产生就会产生失真失真(或称为畸变或称为畸变)。幅度幅度-频率失真频率失真 相位相位-频率失真频率失真幅度幅度-频率失真：频率失真：由实际信道的幅度频率特性的不理想由实际信道的幅度频率特性的不理想引起的，这种失真又称为频率失真，属于线性失真。引起的，这种失真又称为频率失真，属于线性失真。(b)3020100120024003600f/HzA(f)/dB3.3 恒参信道二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响信道的幅度信道的幅度-频率特性不理想

13、会使通频率特性不理想会使通过它的信号波形产生失真，过它的信号波形产生失真，若在这若在这种信道中传输数字信号，则会引起种信道中传输数字信号，则会引起相邻数字信号波形之间在时间上的相邻数字信号波形之间在时间上的相互重叠，造成相互重叠，造成码间干扰码间干扰。相位相位-频率失真：频率失真：当信道的相位当信道的相位-频率特性频率特性偏离线性关偏离线性关系系时，将会使通过信道的信号产生时，将会使通过信道的信号产生相位相位-频率失真频率失真，相位相位-频率失真也是属于线性失真。频率失真也是属于线性失真。()O理想特性(b)()O理想特性(a)3.3 恒参信道二、恒参信道传输特性及其对信号传输的影响 随参信道

14、是指信道传输特性随时间随机快速变化随参信道是指信道传输特性随时间随机快速变化的信道。的信道。常见的随参信道有陆地移动信道、常见的随参信道有陆地移动信道、短波电离短波电离层反射信道层反射信道、超短波流星余迹散射信道、超短波及微、超短波流星余迹散射信道、超短波及微波对流层散射信道、超短波电离层散射以及超短波超波对流层散射信道、超短波电离层散射以及超短波超视距绕射等信道。视距绕射等信道。3.4 变参信道一、变参信道实例1.短波电离层反射信道短波电离层反射信道3.4 变参信道一、变参信道实例 短波：短波：波长波长:100-10m:100-10m的无线电波的无线电波 分类：分类：沿地表传播的沿地表传播的

15、“地波地波”由电离层由电离层反射传播反射传播的的“天波天波”传播路径传播路径 电离层（电离层（F layer)F layer)离地离地60-600km60-600km的大气层的大气层 电离层分四层：电离层分四层：D D、E E、F F1 1、F F2 20FFED300 kmAB地球FBA地球反射点图图：电离层结构示意图电离层结构示意图 2.工作频率工作频率 为了实现短波通信，在选用工作频率时要考虑如下为了实现短波通信，在选用工作频率时要考虑如下两个条件：两个条件：（1）工作频率应小于最高可用频率；（）工作频率应小于最高可用频率；（2）使电磁）使电磁波在波在D、E层的吸收最小。层的吸收最小。3

16、.3.多径传播原因：多径传播原因：（1 1）电波一次、多次反射）电波一次、多次反射（2 2）反射层高度不同）反射层高度不同（3 3）漫射现象）漫射现象（4 4）地球磁场引起的电波分裂）地球磁场引起的电波分裂（寻常波和非寻常波）（寻常波和非寻常波）ABAB(a)(b)ABAB(c)(d )多径形式示意图：多径形式示意图：(a)一次反射和两次反射；一次反射和两次反射；(b)反射区高度不同；反射区高度不同；(c)寻常波与非寻常波；寻常波与非寻常波；(d)漫射现象漫射现象3.4 变参信道二、变参信道传输特性及其对信号传输的影响 对信号的衰耗随时间变对信号的衰耗随时间变 传输时延随时间变传输时延随时间变

17、 多径传播多径传播设发送信号：设发送信号：S S（t t）=ACOS=ACOS0 0t t则接收信号：则接收信号：其中：其中：i i（t t）为第）为第i i路径收信号的振幅路径收信号的振幅 i i（t t）为第）为第i i路径收信号的传输时延路径收信号的传输时延 i i（t t）=0 0i i（t t）)(cos)()(cos)()(0101tttutttutRiniiinii)(cos)()(cos)()(0101tttutttutRiniiinii3.4 变参信道二、变参信道传输特性及其对信号传输的影响(1)(1)瑞利衰落与频率弥散瑞利衰落与频率弥散两个结论两个结论:(1)从波形上看：多

18、径传播使单从波形上看：多径传播使单一频率的正弦信号变成了包一频率的正弦信号变成了包络和相位受调制的窄带信号，络和相位受调制的窄带信号，这种信号称为衰落信号，即这种信号称为衰落信号，即多径传播使信号产生瑞利型多径传播使信号产生瑞利型衰落。衰落。(2)(2)从频谱上看：多径传播使从频谱上看：多径传播使单一谱线变成了窄带频谱，单一谱线变成了窄带频谱，即多径传播引起了频率弥散。即多径传播引起了频率弥散。tR(t)f0瑞利衰落（快衰落）频率弥散(2(2）频率选择性衰落）频率选择性衰落 (P62)(P62)-以两径传播为例分析以两径传播为例分析 设信号经两路径到收端设信号经两路径到收端,且两路径具相同传输

19、损耗且两路径具相同传输损耗V V0 0和和一个相对时延差一个相对时延差,可用下线性网络表信道模型可用下线性网络表信道模型V0V0延迟延迟t0延迟延迟t0+f(t)f0(t)V0f(t)V0f(t)V0f(t-t0)V0f(t-t0)）（0)()(000tjeFVttfV0)()(000tjeFVttfV则则H()H()的获得的获得)()(00FVtfV设设输出信号为输出信号为:)1()()(00jtjoeeFVtf)1()()1()()()()(0000jtjjtjoeeVFeeFVFFH 系统传输特性)1()()1()()()()(0000jtjjtjoeeVFeeFVFFH系统传输特性(2

20、(2）频率选择性衰落）频率选择性衰落 (P62)(P62)1()(00jtjeeVHH()H()的分析的分析|1|je|sincos1|j|2cos|2emRI22)(2H(2(2）频率选择性衰落）频率选择性衰落 (P62)(P62)n频率选择性衰落 n相关带宽相关带宽ff=1/=1/m mn发送信号带宽发送信号带宽ffs)5131(2(2）频率选择性衰落）频率选择性衰落 (P62)(P62)n含交织编码的差错控制技术n抗衰落性能好的调制解调技术n功率控制技术n分集接收技术n扩频技术n均衡技术3.5 变参信道特性的改善 (1)(1)原理原理)(cos)()(cos)()(0101tttuttt

21、utRiniiinii若把各径信号若把各径信号“适当地适当地”合并，可减小衰落合并，可减小衰落 分集的含义分集的含义 -使各路径信号相互独立使各路径信号相互独立适当合并适当合并系统性能系统性能 快衰落信道收到的是各径信号的合成快衰落信道收到的是各径信号的合成3.5 变参信道特性的改善 空间分集：空间分集：使用多个天线使用多个天线 频率分集：频率分集：用多个频率传同一信息用多个频率传同一信息 角度分集：角度分集：天线指向不同天线指向不同 极化分集：极化分集：接收水平、垂直极化波接收水平、垂直极化波(2)(2)分集方式分集方式3.5 变参信道特性的改善 最佳选择式：最佳选择式：选择信噪比最好的一个

22、接收选择信噪比最好的一个接收 等增益相加式：等增益相加式：各支路等增益相加各支路等增益相加 最大比值相加式：最大比值相加式：使增益和本支路信噪比成正比后相加使增益和本支路信噪比成正比后相加 性能：性能：321321(3)(3)信号合并方式信号合并方式3.5 变参信道特性的改善 前面我们讨论了恒参信道和随参信道传输特性以前面我们讨论了恒参信道和随参信道传输特性以及其对信号传输的影响。除此之外，及其对信号传输的影响。除此之外，信道的加性噪声信道的加性噪声同样会对信号传输产生影响同样会对信号传输产生影响。加性噪声与信号相互独加性噪声与信号相互独立，并且始终存在，立，并且始终存在，实际中只能采取措施减

23、小加性噪实际中只能采取措施减小加性噪声的影响，而声的影响，而不能彻底消除加性噪声不能彻底消除加性噪声。因此，加性因此，加性噪声不可避免地会对通信造成危害噪声不可避免地会对通信造成危害。3.6 信道的加性噪声信道的加性噪声 外台信号外台信号 人为施放的干扰源人为施放的干扰源 工业点火辐射工业点火辐射 荧光灯干扰荧光灯干扰 闪电闪电 大气中的电暴大气中的电暴 银河系噪声银河系噪声 其它宇宙噪声其它宇宙噪声 热噪声热噪声 霰弹噪声霰弹噪声11 电源哼声电源哼声12 接触不良接触不良13 自激振荡自激振荡14 各种内部谐波干扰各种内部谐波干扰 .人为噪声人为噪声.自然噪声自然噪声.内部噪声内部噪声噪声

24、来源及分类噪声来源及分类!热噪声存在于一切电子设备内部，是干扰的主要来源一般这类外来干扰可以通过设备的设计避免起伏噪声的统计特性（1）瞬时幅度服从高斯分部且均值为）瞬时幅度服从高斯分部且均值为0 （2）功率谱密度在很宽的频率范围内是平坦的）功率谱密度在很宽的频率范围内是平坦的 Pn(f)=(W/Hz)221()exp22xfx 02n3.6 信道的加性噪声信道的加性噪声起伏噪声通常被认为是近似高斯白噪声。白噪声：在整个频率范围内具有平坦的功率谱密度的噪声。双边功率谱密度)/(2)(0HzWnfpn 起伏噪声共性起伏噪声共性 可近似为可近似为G.W G.W 经经BPFBPF后为窄带后为窄带G.R

25、PG.RP调制信道调制信道（经滤波器后）（经滤波器后）的加性噪声可近的加性噪声可近似为似为 窄带高斯噪声窄带高斯噪声 噪声带宽噪声带宽BnBn )()()(2)(00000nnnnnPdfPPdfPB等效噪声带宽等效噪声带宽3.6 信道的加性噪声信道的加性噪声 信道容量信道容量是指是指信道中信息无差错传输的最大速信道中信息无差错传输的最大速率率。在信道模型中，我们定义了两种广义信道：。在信道模型中，我们定义了两种广义信道：调调制信道和编码信道制信道和编码信道。调制信道是一种连续信道，可。调制信道是一种连续信道，可以用连续信道的信道容量来表征；编码信道是一种以用连续信道的信道容量来表征；编码信道

26、是一种离散信道，可以用离散信道的信道容量来表征。在离散信道，可以用离散信道的信道容量来表征。在此处，我们只讨论此处，我们只讨论连续信道的信道容量连续信道的信道容量。1.香农公式香农公式 带宽为带宽为B(Hz)的连续信道，其输入信号为的连续信道，其输入信号为x(t)，信道加性高斯白噪声为信道加性高斯白噪声为n(t)，则信道输出为，则信道输出为3.7 信道容量信道容量)/()1(log2sbitNSBC 上式就是著名的上式就是著名的香农香农(Shannon)信道容量公信道容量公式式，简称，简称香农公式香农公式。香农公式表明的是。香农公式表明的是当信号与信当信号与信道加性高斯白噪声的平均功率给定时，

27、在具有一定道加性高斯白噪声的平均功率给定时，在具有一定频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的频带宽度的信道上，理论上单位时间内可能传输的信息量的极限数值。信息量的极限数值。只要传输速率小于等于信道容量，则总可以找只要传输速率小于等于信道容量，则总可以找到一种信道编码方式，实现无差错传输；若传输速到一种信道编码方式，实现无差错传输；若传输速率大于信道容量，则不可能实现无差错传输。率大于信道容量，则不可能实现无差错传输。(3.10-8)若噪声若噪声n(t)的单边功率谱密度为的单边功率谱密度为n0，则在信道带宽，则在信道带宽B内的噪声功率内的噪声功率N=n0B。因此，香农公式的另一形式。因此，

28、香农公式的另一形式为为 (3.10-9)由香农公式可得以下由香农公式可得以下结论结论：(1)增大信号功率增大信号功率S可以增加信道容量，若信号功可以增加信道容量，若信号功率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大，率趋于无穷大，则信道容量也趋于无穷大，即即)1(log02BnsBC)1(log02limlimBnSBCSS (2)减小噪声功率减小噪声功率N(或减小噪声功率谱密度或减小噪声功率谱密度n0)可可以增加信道容量，若噪声功率趋于零以增加信道容量，若噪声功率趋于零(或噪声功率谱或噪声功率谱密度趋于零密度趋于零)，则信道容量趋于无穷大，即，则信道容量趋于无穷大，即)1(log200limlimN

29、SBCNN (3)增大信道带宽增大信道带宽B可以增加信道容量，但不能使可以增加信道容量，但不能使信道容量无限制增大。信道带宽信道容量无限制增大。信道带宽B趋于无穷大时，信趋于无穷大时，信道容量的极限值为道容量的极限值为)1(log)1(log020002limlimlimBnSSBnnSBnSBBBBC02044.1lognsens(3.10-11)2.香农公式的应用香农公式的应用 由香农公式由香农公式(3.10-8)可以看出：可以看出：对于一定的信道对于一定的信道容量容量C来说，信道带宽来说，信道带宽B、信号噪声功率比、信号噪声功率比S/N及传输及传输时间三者之间可以互相转换。时间三者之间可

30、以互相转换。若增加信道带宽，可若增加信道带宽，可以换来信号噪声功率比的降低，反之亦然。如果信以换来信号噪声功率比的降低，反之亦然。如果信号噪声功率比不变，那么增加信道带宽可以换取传号噪声功率比不变，那么增加信道带宽可以换取传输时间的减少，等等。如果信道容量输时间的减少，等等。如果信道容量C给定，互换前给定，互换前的带宽和信号噪声功率比分别为的带宽和信号噪声功率比分别为B1和和S1/N1，互，互换后换后的带宽和信号噪声功率比分别为的带宽和信号噪声功率比分别为B2和和S2/N2，则有，则有 B1log2(1+S1/N1)=B2 log2(1+S2/N2)由于信道的噪声单边功率谱密度由于信道的噪声单

31、边功率谱密度n0往往是给定的，往往是给定的，所以上式也可写成所以上式也可写成 例如：例如：设互换前信道带宽设互换前信道带宽B1=3kHz，希望传输的信息速，希望传输的信息速率为率为104b/s。为了保证这些信息能够无误地通过信道，。为了保证这些信息能够无误地通过信道，则要求信道容量至少要则要求信道容量至少要104b/s才行。才行。互换前，在互换前，在3kHz带宽情况下，使得信息传输速率达带宽情况下，使得信息传输速率达到到104 b/s，要求信噪比，要求信噪比S1/N19 倍。如果将带宽进倍。如果将带宽进行互换，行互换，设互换后的信道带宽设互换后的信道带宽B2=10kHz。这时，信息传输速率仍。这时，信息传输速率仍为为 104 b/s，则所需要的信噪比，则所需要的信噪比S2/N2=1 倍。倍。)1(log)1(log2022210121BnsBBnsB例bit32.310log2bit99600032.3300000HzNSCB62621002.31000log109.29)1(log本章的目标和要求n本章研究的主要内容：本章研究的主要内容：n 1，信号在信道中的传输特性n 2，信噪比SNR计算本章作业n3-1n3-4n3-6n3-8